Généralités sur les Kesterites

Les semi-conducteurs

Un semi-conducteur, est un matériau qui n’est ni tout à fait un conducteur d’électricité, ni tout à fait un isolant. Il peut être soit l’un, soit l’autre selon diverses conditions. Le caractère conducteur ou isolant prend sa source dans la structure même des atomes, chaque élément du tableau périodique possède un agencement électronique sous la forme de couches différent selon les éléments, qui est responsable de la conductivité électrique. On peut schématiser l’ensemble sous la forme de bandes. Sur le schéma suivant, on a représenté les bandes d’électrons de valence et d’électrons de conduction [4].

Semi-conducteur intrinsèque

Un semi-conducteur est dit intrinsèque, lorsqu’il est pur ou ne comporte aucune impureté chimique, c’est un semi-conducteur parfait, sans défauts structuraux avec un nombre d’électrons dans la bande de conduction est égal au nombre de trous dans la bande de valence.

Semi-conducteur extrinsèque

La présence d’éléments dopants dans la matrice du composé modifie ses propriétés électriques on distingue deux types:  

Semi-conducteur type n

Les atomes dopants (les donneurs) se substituent avec des atomes du réseau et fournissent un électron à la bande de conduction. L’augmentation de la concentration en électrons libres engendre un déplacement du niveau de Fermi du matériau vers la bande de conduction figure I.2. b) Semi-conducteur type p Les éléments dopants (les accepteurs) présentent un manque d’électron par rapport à la matrice et captent un électron de la bande de valence, ce qui leurs permettent d’accroître le nombre de trous dans la bande de valence et le niveau de Fermi se déplace vers la bande de valence. Le dopage introduit des niveaux donneurs Ed ou accepteur Ea comme il est montré sur la figure I.2.

Généralités sur la Kasterite CZTS

La CZTS (Cu2ZnSnS4) est un semi-conducteur quaternaire à gap direct du type I2-IIIV-VI4, il est composé de matériaux abondants, non toxiques et peu coûteux. La disponibilité de cuivre, de zinc, de l’étain et du soufre sur la croûte de notre terre sont de 50 ppm, 75 ppm, 2,2 ppm et 260 ppm respectivement. Pendant ce temps, la disponibilité de l’indium est de 0,049 ppm sur la croûte de la terre qui est relativement très faible par rapport au zinc et de l’étain.[5] 

Propriétés du Cu2ZnSnS4

Propriétés structurales Le matériau Cu2ZnSnS4 cristallise généralement dans la structure Kësterite (groupe d’espace I-4), ou la structure stannit (groupe d’espace I-42m). Ces deux modèles structuraux sont très proches et de structures tétragonales, la première différence est la répartition des cations Cu+ et Zn2+dans les plans perpendiculaires à l’axe ‘c’ : alternance de plans (CuSn)/(Cu-Zn) dans la structure kestërite, alternance de plans (Zn-Sn)/(Cu-Zn) dans la structure stannite. L’anion S2- se trouve sur une position particulière (x, x, z) dans la stannite, alors qu’il occupe une position générale (x, y, z) dans la kestërite[6] . (voir figure I-4

Propriétés électriques

Les principales caractéristiques électriques des matériaux semi-conducteurs résultent des déplacements des porteurs de charge sous l’effet d’un champ électrique, ou magnétique (conductivité électrique, effet Hall, photoconductivité,…). Pourtant, ces déplacements sont gouvernés par les collisions des porteurs de charge avec les ions, les impuretés ou les défauts du réseau cristallin [7,8]. La plupart des valeurs rapportées de la résistivité de CZTS varies de ~10-3 cm.Ω -101 cm.Ω, mais il y a aussi des valeurs de résistivité plus élevées que 104cm.Ω ont été également rapportés .On a rapporté que la concentration des porteurs de charge varie entre 1016 cm-3 à 1021 cm-3 . Les résultats de mesure de l’effet de hall ont prouvé que la mobilité dans les couches de CZTS a changé simplement de 0.1 cm2 .V-1 .s-1à 30 cm2 .V-1 .s-1 , alors que la plupart des valeurs éditées étaient dans la gamme de 1 cm2 .V-1 .s-1 à 10 cm2 .V-1 .s-1 . [7]

Les propriétés optiques La Cu2ZnSnS4 dans sa phase Kësterite présente un gap de 1.5 eV et un coefficient d’absorption supérieur à 104cm-1 . Expérimentalement, on montre cependant que l’énergie du gap du matériau CZTS n’a pas une valeur précise fixe, mais dépend plutôt de la méthode d’élaboration et surtout de la pureté du composé final. [11]

Les applications de CZTS

La Cu2ZnSnS4 est un semi-conducteur à gap direct dont l’énergie de la bande interdite est de 1,4 eV à 1,5 eV, proche de la valeur optimale pour les applications photovoltaïques. Son coefficient d’absorption optique élevé (α >104 cm-1 ) et sa conductivité de type p, c’est un matériau prometteur pour les cellules solaires en couches minces. Les cellules photovoltaïques à bases de CZTS sont constituées de plusieurs couches. La structure la plus couramment rencontrée est représentée sur la figure I.6 [12]. La technologie à base de CZTS utilise des matériaux qui permettent d’éviter les métaux lourds et sont facilement disponibles à coût moindre.